[JAVA] 정적 메소드와 비정적 메소드의 저장 방식과 동작 방식, JVM 메모리와 운영체제 메모리

(22/07/07)
- 정적 메소드와 비정적 메소드에 대한 공부를 하던 중에 올렸던 게시물이다. 더 학습하면서 보완할 점이 있어 업데이트를 한다.
- 쏟아지는 정보 속에서 JVM의 메모리와 운영체제가 제공하는 메모리가 헷갈렸었다. 둘은 비슷하지만 다르며 게시물 아래 운영체제의 메모리를 덧붙여보겠다.
(22/05/05)
- 알고리즘 문제를 풀 때 한 클래스에서 함수를 만들어 호출하여 사용할 때 static 메소드를 사용하는 이유는 뭘까?
- main 메소드는 static 메소드인데, main 메소드에서 비정적 메소드를 호출하지 못하는 이유는 무엇일까?

public class StaticTest {
		public static void main(String[] args)  {
			Static(); //I'm Static
			nonStatic(); //오류가 뜬다.
        }
        
		 public static void Static(){
	        	System.out.println("I'm Static");
	    }
		
        public void nonStatic(){
        	System.out.println("I'm non-Static");
        }
    }

STATIC 에 관한 기본적 내용

non-static method cannot be referenced from a static contex

참조글(stackoverflow)의 글을 바탕으로 이해해보자
Non-static 메소드는 객체 생성 전에는 존재하지 않기 때문에 존재하지 않는 것을 부르는 것은 불가하다.
Static 메소드는 클래스에 속해있고, Non-static 메소드는 클래스의 인스턴스에 속해있다.

더 이해하기 위해 클래스, 스택, 힙을 중심으로 JVM 저장 방식이 어떻게 되는지 알아보자.

staticnonstatic

JVM(Java Virtual Machine) 메모리

런타임이 시작하면 JVM은 용도에 맞게 영역에 메모리를 할당한다.
클래스 영역(메소드 영역)
- 멤버 변수에 대한 정보, 메소드의 데이터, static 변수와 메소드, 상수풀, 런타임에 필요한 메소드, 필드 참조 등의 상수까지 포함된다.
- 위 값은 프로그램 시작시 생성되고 종료와 함께 소멸된다.
스택 영역
- 메소드 호출시 각각의 지역변수, 매개변수 (참조변수형), 리턴 값 등이 프레임 형태로 저장되었다가 사용된 뒤 사라진다.
- 원시 데이터(int, double, boolean 등) 도 저장된다.
힙 영역
- 객체(Object 상속받은 것들)들과 배열을 저장하는 공간
- new 생성자에 의해 동적으로 생성된다.
- 가비지 컬렉터에 의해 사용하지 않는 데이터는 자동으로 제거된다.
  - New, Old 공간이 있어 New에서 객체가 생성되어 저장되어 있다가 일정 시간이 지나면 Old 지역으로 넘어간다.
Native 메소드 영역
- JVM는 Java가 아닌 다른 언어로 작성된 코드를 지원하고 이와 같은 데이터를 저장하는 영역이다.
PC 레지스터
- Thread가 생성될 때마다 생성되는 공간이며 어떤 부분(주소)을 어떤 명령으로 실행할 지에 대한 기록들이 저장된다.

Static 메소드

우리가 자주 사용하는 main 메소드도 static이므로 런타임이 시작될 때 할당받으면서 클래스 영역에 속하게 된다.
또한 static이라 선언한 메소드는 런타임이 시작되면서 클래스 영역에 할당되기 때문에 바로 접근하여 실행이 가능하다.
- 같은 클래스 내 static 메소드는 클래스.메소드 형식으로 부르지 않아도 되고 그냥 메소드명으로 호출한다.
- 클래스.메소드 형식을 이용하면 다른 클래스에서도 접근이 가능하다.(접근제어자가 가능한 수준일 때)

내가 작성한 Non-static 메소드는 어디에 있는가?

Non-static 메소드(명령어 집합)는 클래스 영역에 위치하게 된다.
하지만 Non-static 메소드는 클래스의 인스턴스화가 이뤄지지 않으면 클래스의 변수도 접근할 수 없기 때문에 그냥 명령어 집합으로 남아있게 된다.
기본적으로 java의 메소드는 모두 가상 메소드 방식을 가진다.
- 메소드의 이름은 주소값을 나타낸다.
- java의 오버라이딩은 같은 이름이지만 다른 메소드를 칭하기도 한다.
인스턴스를 생성하게 되면 힙 영역에 객체가 생성되고 객체는 스택 영역에 지역 변수를 만들어 이용하거나, 다른 객체의 필드를 참조하며 실행된다.
- 같은 클래스로 만들어진 이름이 다른 인스턴스도 같은 메소드를 사용한다.
- 오버라이딩했을 경우 클래스 영역에 새로운 메소드가 따로 생성된다.

virtual function

class Person {
		public void eat() {
			System.out.println("냠냠");
		}
	}

public class PersonTest {
		public static void main(String[] args)  {
			
			Person A = new Person();
			Person B = new Person();
			
			A.eat(); //냠냠
			B.eat(); //냠냠
    }
}

위의 eat()는 같은 메소드를 호출하여 사용한다.

JVM이 이런 방식을 선택한 이유는 뭘까?

객체 지향 프로그램의 가장 중요한 목적은 유지보수와 재사용성에 있다.
- 매번 인스턴스를 생성하여 메소드를 사용하는 방식은 자주 사용하거나 쉽게 접근해야하는 메소드에는 적합하지 않다.
- 모든 메소드가 쉽게 접근이 가능하다면 메모리 낭비와 정보 은닉 등의 문제가 생길 것이다.

마무리

정적 메소드는 런타임이 진행될 때 생성된 메소드이므로 바로 접근하여 사용이 가능하다.
- 정적 메소드 생성을 남발하는 것은 프로그램 자체에 메모리 낭비, 정보 은닉 등에 문제가 생길 수 있다.
- 알고리즘 문제 풀이 경우 메소드만 필요한 경우 생성하여 바로 사용하므로 정적 메소드를 이용하는 것이 효율적이다.
비정적 메소드는 명령어 집합으로만 존재하므로 인스턴스 생성을 통해 접근이 가능하다.

운영체제의 메모리(프로세스 구조)

memory

운영체제가 제공하는 메모리는 코드영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역으로 나뉜다.
코드 영역(텍스트 영역)
- 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 곳이며 CPU가 코드 영역의 명령어를 하나씩 처리한다.
데이터 영역
- 전역변수와 정적(static) 변수가 저장되는 공간이며 프로그램의 시작과 함께 할당되고 프로그램이 종료되는 순간 소멸된다.
힙 영역
- 코드를 통해 동적으로 만들어지는 데이터가 저장된다.
- c언어의 경우 사용자가 직접 관리하기도 하며, Java에서는 가비지 컬렉터
스택 영역
- 임시적인 데이터가 저장되는 곳으로 지역 변수와 매개 변수가 저장된다.
- 함수의 호출과 함께 할당되고 호출이 완료되면 소멸된다. 가 관리해준다.
- 파이썬 언어의 재귀함수가 일정 횟수를 넘어가면 에러가 나는 이유는 스택 저장 공간이 정해져 있기 때문이다.

Reference:

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non-static method cannot be referenced from a static contex